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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39356| Título: | Análise de novo implante ortopédico desenhado para proteção de partes moles na fixação das fraturas da ulna proximal: estudo comparativo in silico e in vitro |
| Título(s) alternativo(s): | Analysis of a novel orthopedic implant designed for soft tissue protection in the fixation of proximal ulna fractures: a comparative in silico and in vitro study |
| Autor(es): | Ramos, Carlos Henrique |
| Orientador(es): | Schneider Júnior, Bertoldo |
| Palavras-chave: | Ulna (Osso) Cotovelos - Fraturas Prótese Implantes artificiais Fraturas - Fixação intramedular Biomecânica Método dos elementos finitos Simulação (Computadores) Impressão tridimensional Ulna Elbow - Fractures Prosthesis Implants, Artificial Intramedullary fracture fixation Biomechanics Finite element method Computer simulation Three-dimensional printing |
| Data do documento: | 19-Dez-2025 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | RAMOS, Carlos Henrique. Análise de novo implante ortopédico desenhado para proteção de partes moles na fixação das fraturas da ulna proximal: estudo comparativo in silico e in vitro. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025. |
| Resumo: | Introdução: O tratamento das fraturas multifragmentares que envolvem a região metafisária da ulna proximal, representa um desafio pela sua complexidade, custo elevado e alta incidência de reoperações. Esta última, motivada principalmente para a retirada dos implantes, que frequentemente causam atrito e desconforto sob as partes moles. Objetivo: Este estudo teve como objetivo apresentar um novo implante ortopédico para fixação das fraturas tipo IIB da ulna proximal, a placa Y, desenhada especialmente para proteção das partes moles, e comparar sua estabilidade com três implantes existentes, utilizando-se uma avaliação combinada de simulações in silico, com o Método de Elementos Finitos (MEF), e ensaios in vitro. Materiais e Métodos: A metodologia envolveu inicialmente a criação de modelos digitais 3D da ulna proximal, a partir de imagens de tomografia computadorizada (DICOM) e softwares de modelagem (InVesalius®, Autodesk®MeshmixerTM, Rhinoceros®), e quatro sistemas de fixação por placa e parafusos (definidas como A+B, Synthes®, LCP e placa Y). Em seguida, foi realizada a comparação da estabilidade entre os sistemas por meio de simulações utilizando o MEF. Os deslocamentos relativos dos pontos de referências, localizados nas extremidades da fratura, foram avaliados sob cargas máximas em diferentes ângulos de flexão do cotovelo (0°, 45° e 90°), aplicando 50 N, 100 N e 500 N. Também foram avaliados o deslocamento ósseo e tensão dos implantes, pela análise visual dos gradientes de cor e medição da tensão máxima de von Mises. Na sequência, foram realizados testes in vitro com modelos ósseos artificiais impressos em 3D (material poliamida) e os implantes metálicos correspondentes, simulando as mesmas fixações testadas no estudo in silico. As cargas foram aplicadas aos corpos de prova utilizando-se uma máquina de ensaio universal MTS. Nos dois ensaios o parâmetro usado para o critério de falha foi o deslocamento maior que 2 mm entre os pontos. Para os cálculos estatísticos foi utilizada a análise se variância (ANOVA), complementados com o teste de Tukey. Resultados: Os resultados indicaram que todas as configurações de fixação demonstraram estabilidade satisfatória nos dois estudos, com deslocamentos inferiores a 2 mm. A placa A+B consistentemente exibiu os maiores desvios em ambas as simulações, enquanto a placa Y e a Synthes® apresentaram desempenho superior sob diversas condições de carga, especialmente no estudo in vitro. Destaca-se que a placa Y, na avaliação do deslocamento dos pontos da superfície articular (o parâmetro mais crítico), demonstrou desempenho superior aos demais nas posições de 0º e 45º, e o segundo melhor em 90º, superando as expectativas iniciais e os próprios resultados in silico. Foram observadas concentrações pontuais de tensões de von Mises nas placas Y e A+B, porém com coeficientes de segurança adequados. Os resultados dos ensaios in silico e in vitro confirmaram a eficácia dos sistemas.Conclusão: O novo implante oferece estabilidade equivalente ou superior aos implantes convencionais, com vantagens distintivas na proteção de partes moles,potencial para redução de custos e diminuir o tempo de cirurgia, validando assim seu conceito para futuras etapas de desenvolvimento e validação clínica. |
| Abstract: | Introduction: The treatment of multifragmentary fractures involving the metaphyseal region of the proximal ulna presents a significant challenge due to its complexity, high cost, and a high incidence of reoperations. This high rate of reoperations is primarily motivated by the need for implant removal, which frequently causes friction and discomfort in the soft tissues. Objective: This study aimed to introduce a novel orthopedic implant for the fixation of Type IIB proximal ulna fractures, designated as the Y-plate, specifically designed for soft tissue protection. Furthermore, it sought to compare its stability with three existing implants through a combined evaluation comprising in silico simulations, utilizing the Finite Element Method (FEM), and in vitro mechanical tests. Materials and Methods: The methodology initially involved the creation of 3D digital models of the PU from computed tomography (DICOM) images and modeling softwares (InVesalius®, Autodesk®MeshmixerTM, Rhinoceros®). This was performed in conjunction with four distinct plate and screw fixation systems (identified as A+B, Synthes®, LCP, and the Y-plate). Subsequently, the stability among these systems was compared through FEM simulations. The relative displacements of reference points, strategically located at the fracture ends, were evaluated under maximum loads at various elbow flexion angles (0°, 45°, and 90°), with applied forces of 50 N, 100 N, and 500 N. Bone displacement and implant stress were also assessed via visual analysis of color gradients and measurement of maximum von Mises stress.Following the in silico phase, in vitro tests were conducted using 3D-printed artificial bone models (polyamide material) and their corresponding metallic implants, simulating the identical fixation configurations examined in the computational study.Loads were applied to the specimens using an MTS universal testing machine. In both experimental approaches, the failure criterion parameter was defined as a displacement exceeding 2 mm between the reference points. For statistical calculations, analysis of variance (ANOVA) was employed, complemented by Tukey’s post-hoc test. Results: The results indicated that all fixation configurations demonstrated satisfactory stability in both studies, with displacements consistently below 2 mm. The A+B plate consistently exhibited the largest deviations across both simulations, whereas the Y-plate and Synthes® system demonstrated superior performance under diverse loading conditions, particularly evident in the in vitro study. Notably, when evaluating articular surface displacement (identified as the most critical parameter), the Y- plate showed superior performance compared to the other implants at 0º and 45º positions, and the second-best performance at 90º, thereby exceeding initial expectations and even its own in silico results. Localized concentrations of von Mises stresses were observed in both the Y-plate and A+B plate, yet these were accompanied by adequate safety coefficients. The results of Both in silico and in vitro studies unequivocally confirmed the efficacy of the tested systems. Conclusion: The novel implant offers stability equivalent to or superior to conventional implants, possessing distinctive advantages in soft tissue protection, potential to reduce costsand surgery time. This validates its foundational concept for subsequent stages of development and comprehensive clinical validation. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39356 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial |
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